p Puxe e descasque. Para muitos, a frase provavelmente evoca os pacotes característicos de alcaçuz vermelho (e a única maneira real de comê-los). Para cientistas materiais como Yuris Dzenis da Universidade de Nebraska – Lincoln e seus colegas, no entanto, representa uma metáfora útil para a estrutura surpreendentemente semelhante das fibras de alto desempenho encontradas em armaduras corporais e engenharia aeroespacial. p Também pode descrever uma nova técnica poderosa para analisar e, Dzenis espera, em última análise, combatendo o fracasso dessas fibras poliméricas - nem uma década antes.

p As décadas de 1960 e 70 desencadearam um dilúvio de avanços relacionados à fibra, o que Dzenis chamou de "uma verdadeira revolução" no aprimoramento de sua química, composição e processamento. Mas essa fonte secou na década de 1980, ele disse, e permaneceu relativamente estéril desde então.

p Um provável gargalo? Uma compreensão limitada de como as fibras se comportam ao serem esticadas até seu ponto de ruptura, também conhecido como resistência à tração.

p "O que nós pensamos, e nossos colaboradores do Exército dos EUA também pensam, é que pode ser devido ao nosso conhecimento insuficiente de como essas fibras complexas respondem ao carregamento, "disse Dzenis, McBroom Professor de engenharia mecânica e de materiais. "Apesar de serem estudados há cinco décadas, ainda não há um entendimento completo dos mecanismos de fratura e deformação.

p "Como sempre, quando queremos otimizar algo, precisamos entender primeiro. "

p Os cientistas materiais já entenderam que uma fibra de alto desempenho geralmente consiste em três hierarquias:gavinhas nanoscópicas que são milhares de vezes mais finas que o cabelo humano; microscópico, feixes bem embalados dessas gavinhas; e a fibra macroscópica que esses feixes constituem. Ou, em termos de pull 'n' peel:fios individuais de alcaçuz, os feixes de onde esses fios são puxados, e o pacote que os contém.

p Embora os pesquisadores tenham analisado como as fibras responderam em nano e macroescala, nenhum havia descoberto como medir as interações entre os feixes microscópicos - interações que muitos suspeitavam serem críticas para a compreensão de algumas descobertas contra-intuitivas e do processo em geral.

p O doutorando supervisionado por Dzenis Taylor Stockdale e colegas do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA estavam à altura da tarefa. Stockdale desenvolveu uma técnica para gravar minúsculos entalhes em forma de T na parte superior da fibra e descascar sua superfície enquanto ela estava sendo esticada, tudo isso enquanto evitava as perturbações que invalidavam as medições capturadas por outras técnicas - o equivalente nanoscópico de andar na corda bamba sem perturbá-la. Com as entranhas da fibra reveladas, a equipe foi então capaz de empregar métodos mais familiares, usando um instrumento de nanodentação para medir as forças que separam os feixes adjacentes e um microscópio sofisticado para obter a imagem desses feixes se separando.

p Tendo feito isso, a equipe decidiu comparar o comportamento de duas fibras comuns de alto desempenho:uma fibra de Kevlar que consiste em cadeias de polímero rígidas e outra, fibra de polietileno mais flexível. Dzenis e seus colegas estavam especialmente interessados ​​em analisar a fibrilação da fibra, a tendência dos feixes de rasgar não no mesmo ponto - como em uma quebra limpa - mas em pontos diferentes ao longo do comprimento de uma fibra, levando à retirada do feixe e falha da fibra. Porque nenhuma equipe jamais conseguiu quantificar a separação entre os pacotes, aquele processo, muito parecido com os próprios pacotes, permaneceu escondido sob a superfície.

p Os experimentos da equipe revelaram que substancialmente menos energia era necessária para separar os feixes na fibra de polietileno de cadeia flexível do que na fibra Kevlar mais rígida, ajudando a esclarecer por que as fibrilações se propagaram muito mais ao longo do comprimento das primeiras fibras do que as últimas.

p Esses dados resultantes, e a técnica que o gerou, deve informar futuros modelos computacionais e, eventualmente, ajudar a otimizar os processos de fabricação que levam a modelos mais resistentes, fibras mais duradouras, disseram os pesquisadores.

p "Pela primeira vez, esta informação nos permitiu explicar as diferenças na fibrilação, "Dzenis disse sobre o estudo da equipe, que recentemente apareceu na capa do jornal Materiais e interfaces aplicados ACS . "Estamos explicando as diferenças por meio de dados, que já é um grande avanço. "

p Não foi o único. Depois de comparar a quantidade de energia de separação absorvida em todas as três escalas da fibra de polietileno - gavinha, feixe e fibra inteira - a equipe descobriu que a energia obedecia a uma chamada lei de potência. Nesse caso, a energia de separação absorvida parecia aumentar proporcionalmente com a área de superfície de separação levada à potência de cerca de 0,5, o que significa que a energia aumentou a uma taxa de desaceleração consistente em relação ao aumento na escala. Este, por sua vez, sugeriu que gavinhas deveriam ser mais fáceis de separar do que feixes, e feixes mais fáceis do que fibras inteiras.

p E não foi só isso. Em estruturas, o dimensionamento da lei de potência é frequentemente acompanhado por auto-similaridade:um fenômeno no qual as partes de uma estrutura se assemelham à estrutura como um todo, como quando os braços de um floco de neve compartilham características estruturais com o floco inteiro. Com certeza, quando a equipe comparou imagens de fratura de separação entre os feixes microscópicos e as partes de fibra macroscópica, localizou pontes semelhantes de material abrangendo as lacunas em ambas as escalas - evidência de auto-similaridade que também pode ajudar a explicar a escala da lei de potência.

p "Pessoas em mecânica de fratura, na física, eles costumam comemorar quando veem algo assim, porque é tão rico para modelagem futura e assim por diante, "Dzenis disse." Também é muito fundamental. Pode acabar sendo o cerne deste complexo, comportamento de fratura multiescala.

p "Antecipamos que as pessoas agora procurarão auto-similaridade em fibras, provavelmente pela primeira vez, porque não havia evidência de nada parecido antes. Estava faltando um elo. Agora nós temos isso. "

p As perguntas permanecem, Dzenis disse, a mais intrigante delas se relaciona com o ditado de uma corrente se rompendo em seu elo mais fraco. Esse ditado geralmente se aplica à falha de estruturas, ele disse. Dadas as descobertas da equipe sobre a energia de separação absorvida, o princípio sugeria que a pior fibrilação deveria ter ocorrido entre as gavinhas nanoscópicas, não os feixes microscópicos.

p "Isso nos intrigou, "disse ele." Isso realmente atrasou a publicação por cerca de meio ano. Estávamos indo e voltando; tínhamos provavelmente 15 rascunhos deste artigo até decidirmos sobre isso. De acordo com a energia, a fibrilação deveria estar em nanoescala. Mas algo o impede na fibra, e a fibrilação principal está na escala intermediária. A resposta a esta pergunta ainda não foi formulada ou finalizada, mas agora temos algumas pistas. "

p Enquanto isso, Dzenis disse, As múltiplas descobertas da equipe devem ajudar os cientistas e engenheiros de materiais pelo menos a começar a desvendar alguns dos principais fios que confinaram o campo por tanto tempo.

p "Os processos de fabricação de fibras são complexos e ainda não bem compreendidos, mas algumas coisas podem ser ajustadas:algumas concentrações, alguma quimica, alguns desenham proporções e temperaturas e assim por diante, "disse ele." Quando os mudarmos, podemos medir uma propriedade de fibra final, mas com um mecanismo de falha tão complexo ... a propriedade final é apenas um ponto de dados. Não é suficiente entender como ou por que uma mudança no processamento afetará o mecanismo de falha. Uma melhor compreensão dos detalhes em diferentes escalas será muito, informações muito poderosas e benéficas para os pesquisadores. Essas informações quantitativas são a chave para desenvolver ainda mais esses mecanismos e criar novas superfibras.

p "Estamos entusiasmados. Não é sempre que você encontra algo qualitativamente novo, muito menos quantitativamente inesperado. Mas isso é apenas o começo. "